插床机构的设计

机械原理课程设计

计算说明书

课题名称：插床机构的设计

姓名：张超

院别：工学院

学号：2012010803

专业：机械设计制造及其自动化

班级：机设1201班

指导教师：魏原芳

2014年6 月7日

工学院课程设计评审表

设计目录

1 机械原理课程设计任务书 (4)

1.1课程设计的目的和任务 (4)

1.2机构简介与设计数据 (4)

1.3设计内容 (6)

1.4设计步骤和要求 (6)

2 机构简介与设计数据设计 (7)

1.1 插床简介 (7)

1.2 设计数据.................................................................. (8)

3 插床机构的设计及尺寸计算 (9)

3、1曲柄导杆机构的设计及尺寸计算 (9)

3、2用图解法进行机构的运动分析 (14)

3、3用图解法进行机构的动态静力分析 (18)

4 凸轮机构设计 (21)

．心得与体会 (22)

．参考文献 (23)

机械原理课程设计任务书

学生姓名张超班级1201 学号2012010803 位置10

设计题目一：插床机构设计及分析

一、课程设计的目的和任务

1.课程设计的目的

机械原理课程设计是机械原理教学的一个重要组成部分。机械原理课程设计的目的在于进一步巩固和加深学生所学的机械原理理论知识，培养学生独立解决实际问题的能力，使学生对机械的运动学和动力学的分析和设计有一较完整的概念，并进一步提高电算、绘图和使用技术资料的能力，更为重要的是培养开发和创新机械的能力。

2.、课程设计的任务

用图解法对插床的连杆机构进行运动分析和动力分析，设计凸轮机构。要求画出A1图纸一张，写出计算说明书一份。

二、机构简介与设计数据

1.插床主要由齿轮机构、导杆机构和凸轮机构等组成，如图1所示。电动机经过减速装置（图中只画出齿轮

1

z、

2

z）使曲柄1转动，再通过导杆机构1－2－3－4－5－6，使装有刀具的滑块沿导路作往复直线运动，以实现刀具切削运动。为了缩短空行程时间，提高生产

效率，要求刀具具有急回运动。刀具与工作台之间的进给运动，是由固结于轴

2

O上的凸轮驱动摆动从动件O4D和其他有关机构（图中未画出）来完成的。为了缩短空回形成时间，提高生产效率，要求刀具有急回运动。

在工作行程中，刀具上作用有相当大的切削阻力，在切削行程的前后各有一段0.05H（H 为刀具行程）行程，如图2所示。而在空回行程中则没有切削阻力，因此在一个工作循环中，刀具受力变化很大，从而影响了主轴的匀速运转，为减小主轴的速度波动，需采用飞轮调速，以减小电动机容量和提高切削质量。

插床机构简图如图1所示，题目数据列于表1。

图1 插床机构简图

2.设计数据见表1

表1 设计数据

设计导杆机构的设计及运动分析

0.0.

H

S

F

F

图2插刀阻力曲

内容

符号n1K

l BC/l O

3A

L O2O3a b c H Z1单位r/min mm

数据6021150505012510013设计

内容

导杆机构的动态静力分析凸轮机构的设计

符号Z2G3G5J S3d Frψmax

LO2O

4

lO4D

单位N kg/m

2

mm N°mm

数据401603200.14120100015147125设计

内容

凸轮机构的设计

符号r0r Tδ0δ01δ’0δ02

从动杆运动规

律

单位mm°等加

速等减速

数据6115601060230

在导杆机构中，有30个连续等分的1～30个位置，其中工作上极限位置为1，在本方案中行程速比系数为k=2，使等分位置21与工作行程的下极限位置重合。刀具距上下极限位置0.05H时曲柄所在位置为3’和18’。总共32个位置，插床机构中曲柄位置分布如图3所示。

图3 插床机构中曲柄位置图

三、设计内容

四、设计步骤和要求

1）设计步骤

1、设计导杆机构。按已知条件确定导杆机构各未知数，其中滑块5的导路位置可根据连杆4传力给滑块5最有利条件来确定，即导路应位于B点所画圆弧高的平分线上。

2、做机构运动简图。选取长度比例尺μl=0(m/s)/mm，先用虚线绘出机构极限位置1，然后用粗线画出所分配位置的机构运动简图，并确定当前位置C点位移s C。

3、做运动分析。选取速度比例尺μv=(m/s)/mm速度、加速度比例尺μv=(m/s2)/mm，

用相对运动图解法作分配位置的速度多边形和加速度多边形，确定当前位置C点速度v c和加速度a c及根据速度和加速度影像求各构件重心的速度v s和加速度a s。

4、确定阻力。根据切削阻力曲线，将所分析位置相应的切削阻力。

5、计算导杆的惯性力和惯性力偶矩以及滑块的惯性力，并将导杆的惯性力和惯性力偶矩合成为一个总惯性力，同时求出该力至重心的距离。

6、动态静力分析。将机构拆分为若干基本杆组，以杆组为分离体，画出作用在其上的所有外力，然后取力比例尺μN=N/mm，用力多边形或力矩平衡方程求各运动副反力和曲柄上的平衡力矩M b。

7、凸轮机构设计

绘制从动杆的运动线图，画出凸轮实际轮廓曲线。

以上作图部分画在图纸上，同时整理说明书。

2）设计要求

1、绘图问题

A1图纸一张，A1图纸1张，绘图工具一套。

2、绘图要求

作图准确，布置匀称，比例尺合适，图面整洁，线条尺寸应符合国家标准。

3、计算说明书要求

计算程序清楚，叙述简要明确，文字通顺，书写端正。

任务分配

二、机构简介与设计数据

1、插床机构简介

插床是一种用于工件内表面切削加工的机床。主要有齿轮机构、导杆机构和凸轮机构等组成，如下图1-1a 所示。电动机经过减速器装置（图中只画出齿轮z1、z2）使曲柄1转动，再经过导杆机构1-2-3-4-5-6，使装有刀具的滑块沿导路y-y 作往复运动，以实现刀具的切削运动，刀具与工作台之间的进给运动，是由固结于轴O2上的凸轮驱动摆动从动件O4D 和其他有关机构（图中未画出）来完成的。为了缩短空行程时间，提高效率，要求刀具有急回运动。图1-1b 所示为阻力线图。

a ）

图1-1

图3-30 插床机插床机

b)

图1-1

2、设计数据

设计数据见表1-1。

表1-1 设计数据

分组1234插刀往复次数n（次/min）306090120插刀往复行程H（mm）1001209060插削机构行程速比系数K2222中心距Lo2o3(mm)160150140130杆长之比L(BC)/L(o3B)1111凸轮摆杆长度Lo4d(mm)125125125125凸轮摆杆行程角ψ(°)15151515推程许用压力角[α](°)45454545推程运动角δ0(°)60906090回程运动角δ0'(°)90609060远程休止角δ01(°)10151015速度不均匀系数δ0.030.030.030.03最大切削阻力Q(N)2300220021001000阻力力臂d(mm)150140130120滑块5重力G5(N)320340330320构件3重力G3(N)160140130120构件3转动惯量J3(kg*m2)0.140.110.10.1

三、插床机构的设计及尺寸计算

1、曲柄导杆机构的设计及尺寸计算

图1-2 机构运动结构简图

已知21O O =150mm ，1/2 BO BC ，行程H=100mm ，行程比系数K=2，根据以上信息确定曲柄,1A O 2,BO BC 长度，以及2O 到YY 轴的距离。

（1）、A O 1长度的确定

图1-2 a ） 曲柄A O 1长度的确定

具体计算过程如下：

由)180/()180(00θθ-+=K ，得极位夹角：060=θ，

首先做出曲柄的运动轨迹，以1O 为圆心，A O 1为半径作圆，由图知，随着曲柄的转动，当A O 2转到12A O 时，与圆相切于上面，刀具处于下极限位置；当A O 2转到22A O ，与圆相切于下面时，刀具处于上极限位置。

于是可得，12A O 与22A O 得夹角即为极为夹角060=θ。 由几何关系知， 212211O O A O O A ∠=∠， 于是可得， 021221160=∠=∠O O A O O A ， 由几何关系可得： 2111cos O O A O ?=θ 代入数据，21O O =150mm ，060=θ，得mm A O 751= 即曲柄长度为75mm 。

（2）、杆2BO BC 、的长度的确定

图1-2 b ） 杆2BO BC 、长度的确定

由图1-2 b ）得知，刀具处于上极限位置2C 和下极限位置1

C 时，21C C 长度即为最大行程

H =100mm

，

即有

2

1C C =

100mm 。

在确定曲柄长度过程中，可知，

021221160=∠=∠O O A O O A ，

那么可得，

022160=∠B O B ，

故可知，

221O B B ?为等边三角形。

又由几何关系可知，

1221C C B B 为平行四边形，

1212C C B B =，

又由上知，

221O B B ?为等边三角形，

于是

1221B B O B =，

那么可得，

mm O B 10022=,

即 mm BO 1002= 已知，1221B B O B =， 于是可知，

mm BO BC 1002==

即杆的长度为mm BO BC 1002==。 （3）、2O 到YY 轴的距离的确定

图1-2 c ）2O 到YY 轴的距离的确定

由图1-2 c ）我们可以看出，YY 轴由3311y y y y 移动到过程中，同一点的压力角先减小，后又增大，那么在中间某处必有一个最佳位

置，使得每个位置的压力角最佳。

那么我们考虑以下两个位置：

①、当YY 轴与圆弧12B B 刚相接触时，即图3中左边的那条点化线，与圆弧12B B 相切与B1点时，当B 点转到12,B B ，将会出现最大压力角。

B 1

②、当YY 轴与12B B 重合时，即图中右边的那条点划线时，B 点转到B1时将出现最大压力角。

为了使每一点的压力角都为最佳，我们可以选取YY 轴通过CB1中点（C 点为12B O 与12B B 得交点）。

又根据几何关系可知，

2/)cos (cos 22222222C O B B O B O C O B B O l ∠?-+∠?=

由上易知，02230=∠C O B ，代入相关数据得，mm l 3.93= 即2O 到YY 轴的距离为93.3mm 。

综上，插床主体设计所要求的尺寸已经设计完成。选取1:2的比例尺，画出图形如附图A1纸上机构简图所示。

2、用图解法进行机构的运动分析

已知m r w /60=，逆时针旋转，由作图法求解位移，速度，加

速度。规定位移、速度、加速度，插刀处于上极限位置时位移为0。

（1）、速度分析

由已知从图中可知，2A V 与A O 2垂直，23A A V 与A O 2平行，3A V 与A O 2垂直，由理论力学中不同构件重合点的方法可得，

A

O BA

A

O l w A A A A A o v v v 231//:??

:

2

2

33

2⊥⊥+=

→

→

→

方向大小

其中，2A V 是滑块 上与A 点重合的点的速度，23A A V 是杆AOB 上

与A 点重合的点相对于滑块的速度，

3A V 是杆AOB 上与A 点重合的速度。

又由图知，B v 与B O 2垂直，CB v 与BC 垂直，C v 与YY 轴平行，有理论力学同一构件不同点的方法可得：

BC

CB B O l w B

C

v v v B O ⊥⊥+=

→

→→

?:?

:

333竖直向下

方向大小 其中，C v 是C 点，即插刀速度，BC v 是C 点相对于B 点转动速度，

B v 为B 点速度。

又B 点是杆件3 上的一点，，杆件3围绕2O 转动，且B 点和杆件与A 点重合的点在2O 的两侧，于是可得：

33

22A A O B

O B v v →

→

-=

由图量得 mm A O 11133=, 则可到得，

3111

50

A B v v =

由已知可得，

s mm A O w v A /47175212≈?=?=π，

规定选取比例尺=0.0047m ·／mm ，

则可得矢量图如下：

图1-4 a ）速度多边形（

=0.0047m ·s 1

-／mm ）

最后量出代表C v 的矢量长度为43mm,

于是可得,C v =0.202m/s,即曲柄转过108°时，插刀的速度为0.202m/s 。

（2）、加速度分析

由理论力学知识可得矢量方程：

∨

∨

∨

∨∨++

=

→

→

→

→

？

方向

？大小?23232

A3

r A A k

A A A αααα其中，2A α是滑块上与

A 点重合点的加速度，

2A α=212/88.29577544s mm A O ≈?=?πω，方向由4A 指向1O ；k

A A 2

3α

→

是科

氏加速度，22

3323/96.3352s mm v A A k A A ≈??=ωα（其中2

33,A A A v v 大小均从速度多边形中量得），q 方向垂直42A O 向下；r

A A 23α是4A 相对

于滑块 的加速度，大小位置，方向与42A O 平行；

n A3A2

α是C 点相对

于B 点转动的向心加速度，n A3O2α=22

/8.458/s mm BC v CB

≈,方向过由C 指向B ；t O A

2

3α是C 点相对于B 点转动的切向加速度，大小位置，方

向垂直BC 。次矢量方程可解，从而得到3A α。

B 时杆AOB 上的一点，构AOB 围绕2O 转动，又4A 与B 点在

2O 的两侧，由R R n t 2,ωαβα==（β是 角加速度）可得

33

22A A O B

O B α

α

→

→

-

= 量出42

A O 则可得到

B α的大小和方向。

又由理论力学,结合图可得到，

∨

∨

∨

∨

∨∨+

+

=

→

→

→

→

方向

大小??CB t n CB B

c

αααα 其中，B

a 在上一步中大小方向都能求得；

n CB α是C 相对于B 点转动的向心加速度22

/6.917/s mm BC v a BC n CB

≈

=，方向由C 点指向B 点；

t

CB α是C 相对于B 点转动的切向加速度，大小未知，方向与BC

垂直。

矢量方程可解，从而可得到C 点，即插刀的加速度。取比例尺=0.0296mm s m /2-?,可得加速度矢量图如下：

图1-4 (b)加速度多边形（

A=0.0296mm s

m /2

-?）

由图(1-4b)直尺量的

长度为30mm ，于是可得

3

≈0.8882/s m 。

即当曲柄转过108°时，插刀的加速度为0.8882/s m 。

3、用图解法进行机构的动态静力分析

根据运动分析的结果，按照下列步骤用图解法对插床主执行机构的一个位置进行动态静力分析。

1）、计算惯性力和惯性力矩 导杆3的惯性力和惯性力矩为：

i F =5.98N ，i M =1.22kgm 。惯性力作用在质心 上。

2、动态静力分析

1）由杆组4的受力图和力的平衡条件可得：

其中?为构件4与竖直方向的夹角。解方程可以求得和,

取合适的力比例尺F μ=10 N/mm ，作出力多变

形。

C

g G a m F a s i πμ5

555-=-=N R 14134=,

205N R =